UHVDC阀冷管路焊接缺欠对内冷介质质量的影响

黑增杰， 罗小勇， 马亚恒， 赵直爽， 高宏河,林昌龙

(1.河南绿控科技有限公司，河南 许昌 461000；2.华侨大学，厦门市计算机视觉与模式识别重点实验室，福建 厦门 361021)

0 前言

换流阀作为(特)高压直流输电的核心设备,其运行可靠性直接影响整个系统的安全与稳定。由于换流阀在运行过程中承受较大的电流和电压，晶闸管等核心元器件会产生大量的热量，需要通过冷却系统进行散热冷却。阀冷设备密闭式内冷系统使用不导电的蒸馏水为介质，为特高压直流输电换流阀运行提供持续的降温冷却，满足(特)高压直流输电系统24 h持续运行需求。

常规±800 kV(特)高压直流输电系统额定功率为800万千瓦，单套设备满负荷输电4 800万度/天，一旦出现非计划停运，造成的经济损失和社会影响较大。根据GB/T 30425—2013《高压直流输电换流阀水冷却设备》标准要求，阀冷设备年度可用率应≥98%，为实现设备安全稳定持续运行，DL/T 1716—2017《高压直流输电换流阀冷却水运行管理导则》标准中明确规定了阀冷系统内冷却水质量参数，而内冷水质量受其流体管路焊接缺欠影响较大，现阶段关于阀冷设备管路焊接缺欠对内冷水质量影响的研究，在国内外均处于空白状态。

针对阀冷设备独特工况和母材特点，通过理论分析和等效模拟试验，初步总结了焊接缺欠对内冷水质量影响，给出阀冷设备不锈钢管路焊接缺欠对应策略，为提高阀冷系统的运行可靠性提供了参考，可减少了直流非计划停运风险，间接创造了较高的经济效益和社会效益。

1 现状分析

1.1 换流阀内冷却系统简介

直流输电将交流电通过换流器变换成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端并通过换流器变成交流电，最终注入交流电网。相对交流输电来说，直流输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊、能够实现快速控制等优点。具备点对点、超远距离、大容量送电能力，主要定位于中国西南大水电基地和西北大煤电基地的超远距离、超大容量外送。在(特)高压直流输电设备中，换流阀是交直流电换流的核心关键部件，设备运行时产生大量热量，均配置全自动内冷却系统，进行循环冷却散热，内冷系统如图1所示。

图1 阀冷设备内冷系统图

1.2 内冷却介质质量要求

由于阀冷系统内冷却介质直接和带电元器件接触，其主要作用是传导转移热量，因此通常采用不导电的蒸馏水和去离子水，其水质须满足绝缘和耐腐蚀的要求。DL/T 1716—2017中对内冷水质做了明确要求，见表1[1]。

表1 内冷却水质量要求

1.3 内冷却管路焊接缺欠

现阶段内冷却系统国产化生产制造技术已日益成熟，系统管路焊接工艺均采用清洁度较高的TIG焊，通过对近年10套内冷却管路(180 000寸径)，对生产制造过程中出现的焊接缺欠进行了统计。各缺欠统计出现次数如图2所示。通过数据对比分析，未焊透、错边、成形不良、氧化夹杂为高发缺欠，气孔、裂纹、焊瘤、咬边、夹渣、未熔合、凹坑等缺欠低概率发生。

图2 各缺欠出现次数

2 等效模拟试验

2.1 试验目的

等效模拟内冷却系统介质环境，制备相应焊接缺欠试件，通过试件开展内冷系统水质环境试验，横向对比评价各焊接缺欠对水质的影响要素，根据试验结果，制订各焊接缺欠对应策略，科学合理改进生产工艺，为内冷却设备高效生产制造提供参考。

2.2 试验方案

制备焊接缺欠试件，调配试验介质，在25 ℃环境下，将试件置于试验溶液中，采用浸泡方式，等效模拟焊接缺欠对内冷水质量的影响。

2.2.1试验试件

结合实际工况，共制备6种试件，均采用304材质的不锈钢管道，与实际工况保持一致，试件清单见表2。

表2 试验试件清单

2.2.2试验介质

根据内冷系统水质要求，参考GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》，进行等效模拟内冷水环境。采用盐雾试验常用氯化钠分析纯和去离子水配制试验介质，氯化物含量20.3 g/L，等效内冷水腐蚀速率270倍。计划试验时间为40日，等效时间为内冷水系统360个月，与阀内冷系统设计寿命30年吻合。

2.3 试验过程

以10日为一个周期(10日等效90个月)，对试验过程进行观察并记录，试验过程试件外观状态记录见表3，水质数据见表4。

表3 试验过程试件外观记录表

表4 试验过程水质数据

2.4 试验结果

经4周期试验，对试件外观、PH值、电导率、溶解氧、铝离子等维度分析，通过横向对比，氧化夹杂和气孔对内冷水水质影响最大，其它缺陷对内冷水水质影响较小，各维度分析过程如下所述。

2.4.1试件外观

经4周期试验，对试件外观横向对比，氧化夹杂和气孔锈蚀严重，其它缺陷表面锈蚀极少。纯母材在4周期试验中表面一直维持不锈钢银白色，未出现锈蚀；轻度缺欠焊缝合格焊缝4周期内未见锈蚀，氧化气孔在第1至第4周期出现点锈蚀严重扩散；中度缺欠焊缝，气孔、氧化缺欠在第1至第4周期内出现锈蚀并扩散，其它缺欠在4周期内无锈蚀；重度缺欠焊缝，在第1周期24 h即出现严重锈蚀除气孔、4周期试验结后，基体锈蚀严重。

2.4.2PH值

目前内冷水pH值一般要求控制在容易控制的6～9范围内，在实际运行中不是常规监督指标，内冷水处理设备也不配套在线监督pH的表计[2]。经4周期试验，pH值变化不大，通过横向对比分析，所有焊接缺欠对试验介质pH值影响趋势基本一致，试验介质pH值对比如图3所示。

图3 试验介质pH值变化对比图

2.4.3电导率

电导率是判断水中离子杂质的重要指标，控制电导率是因为在高压电场作用下，如果内冷水中有离子存在,会使内冷水具有导电性能，导致泄露电流和能量损耗增加，严重时发生电气闪络[3-4]，经4周期试验，通过横向对比分析，各焊接缺欠对电导率影响趋势差别极大，其中氧化夹杂和气孔缺欠是主要影响因素，其它缺欠对电导率影响较小。试验介质电导率值变化对比如图4所示。

图4 试验介质电导率值变化对比图

2.4.4溶解氧

换流阀内冷水中的含氧量标准要求≤200 μg/L，也是因为含氧量的增加会加速铝的腐蚀速率，造成阀冷系统中铝散热器腐蚀加剧，须严格控制有效去除。经4周期试验，通过横向对比分析，各焊接缺欠对溶解氧值变化趋势一致，试验介质溶解氧值变化对比如图5所示。

图5 试验介质溶解氧含量变化对比图

2.4.5铝离子

内冷水铝离子含量铝散热器腐蚀程度的体现，散热器的腐蚀会增加铝离子含量的增加，引起均压电极结垢、冷却毛细支管路堵塞和漏水等设备故障。

经4周期试验，通过横向对比分析，铝离子值变化趋势一致，差别不大，所有焊接缺欠对铝离子含量影响趋势基本一致。试验介质铝离子含量值变化对比如图6所示。

图6 试验介质铝离子含量变化对比图

3 缺欠控制

通过以上试验，得出氧化夹杂和气孔对内冷水水质影响最大，其它缺陷对内冷水水质影响较小。因此，在阀冷管路焊接加工过程中，应重点控制氧化夹杂和气孔，阀冷管路焊接缺欠控制处理策略清单见表5。

表5 阀冷管路焊接缺欠处理策略

4 结论

(1)奥氏体不锈钢在焊接加工过程产生的缺欠中，未焊透、错边、成形不良、氧化夹杂为高发缺欠，气孔、裂纹、焊瘤、咬边、夹渣、未熔合、凹坑等缺欠低概率发生。

(2)氧化夹杂和气孔缺欠对内冷水介质质量影响极大，裂纹会导致焊缝强度失效，焊接生产应重点控制，杜绝此类缺陷产生。

(3)未焊透、错边、成形不良、焊瘤、咬边、夹渣、未熔合、凹坑等缺欠出现概率较小且对内冷水质量影响较小，焊接生产中可采用表5不同处理策略，在保证质量的前提下，实现高效生产。